Экотоксикологическая характеристика стронция, источники его поступления, распространения и влияние на компоненты биосферы

Во фракции гепатоцитов  содержатся ферменты, не только окисляющие, но и восстанавливающие чужеродные соединения. Эстеразы и амидазы, присутствующие в различных компонентах клетки и в плазме (кровеносная система), катализируют гидролиз многих сложных эфиров и аминосоединений. При этом происходит образование спиртов и их солей, альдегидов, более токсичных для организма. При гидролизе солей происходит образование сильной гидроокиси стронция, проявляющей еще большую токсичность.   

Одни и те же химические соединения могут претерпевать различные  метаболические превращения – как  параллельно, так и последовательно. На метаболическую способность организма могут влиять генетические, физиопатологические, а также различные экзогенные факторы /9/. 

3.3 Микробный  распад

Отмечается как положительное, так и отрицательное действие соединений стронция на микробоценозы, причем последнее в большей степени. При попадании в почву окисей и гидроокисей стронция численность спорообразующих бактерий увеличивается в 2-3 раза, содержание актиномицетов возрастает в 6 раз. Т.е. в малых количествах стронций стимулирует рост микроорганизмов. Но при увеличении концентрации его соединений численность популяций резко снижается.

При наличии легкорастворимого  нитрата стронция увеличивается  активность денитрификаторов, и даже после захвата всех нитрат – ионов NO₃^- и перевода их в аммиачные формы азота посредством собственных ферментов происходит увеличение активности деятельности последних за счет аккумуляции ионов стронция Sr²⁺ в активных центрах, отвечающих за данные химические процессы. Это объясняется тем, что под действием токсиканта формируется недостаток кислорода, который компенсируется более активным вовлечением нитратной формы азота в метаболизм микроорганизмов. Но впоследствии ферментативная активность снижается и бактерии находятся в стрессовом состоянии, претерпевая качественные и количественные изменения в сообществе. 

Отрицательное действие стронций оказывает на грибную микрофлору. Это обусловлено тем, что гидроокись стронция, как сильное основание, быстро нейтрализует кислотность среды  обитания грибов, предпочитающих кислый почвенный раствор. Под действием самого иона стронция угнетается рост мицелия и уменьшается степень развития его в длину с образованием многочисленных разветвлений. При этом уменьшается ареал распространения грибов.

Несколько снижает токсическое  действие стронция наличие сернокислых  солей  (известно, что сульфаты стронция менее растворимы), т.к. раствор будет подщелачиваться:

                                     Sr (OH)₂ + SO₄^2- = SrSO₄ + 2OH^-  ,

а соединения стронция в  щелочной среде обладают низкой способностью к растворению и поэтому его ионы не попадают в раствор, становясь недоступными для организмов /5/. 

Воздействие естественного  радиоактивного загрязнения стронцием  при излучении веществ в горных породах, почве и воде для разных форм почвенных микроорганизмов  различно, но более губительно для высокоорганизованных. Максимально высоким уровнем чувствительности обладают почвенные беспозвоночные, попадая в зону репрессии . Они практически не способны адаптироваться к действию излучения и большинство из них прекращает свое развитие. Среди микроорганизмов наиболее резистентны бактерии, особенно споровые, несмотря на то, что резко сокращается состав сообщества. Наименьшей устойчивостью обычно обладают грибы, имеющие более сложное строение, чем бактерии, а актиномицеты занимают промежуточное положение. Различия по устойчивости к излучению наблюдаются и внутри групп почвенной микрофлоры. А наиболее четко это проявляется для группы почвенных грибов, у которых толерантность связана с наличием и составом пигментов. Наибольшая чувствительность характерна для непигментированных форм, пигментированные более устойчивы. Темноокрашенные виды содержат в клеточной стенке меланиновые пигменты, обладающие защитными свойствами к излучению и предохраняющие клетку от повреждения. Среди темноокрашенных наиболее резистентны рода грибов, имеющие крупные, многоклеточные, интенсивно пигментированные конидии. Высокий уровень резистентности присущ и почвенным водорослям. Воздействия излучений могут проявляться в виде физиологических, генетических и соматических изменений в клетках. Под влиянием облучения наблюдается торможение

роста и темпа клеточного деления у почвенных простейших. Превышение дозы над фоновой вызывает у организмов изменение частоты  мутаций.

Для почвенных животных установлена дифференцированная чувствительность отдельных систем органов. Так, одна из наиболее чувствительных у беспозвоночных – половая система (появление стерильных организмов).

Различия по устойчивости наблюдаются и внутри популяций  отдельных видов организмов. Наиболее высокочувствительны молодые особи. Поэтому наиболее показательными биоиндикаторами повышения ионизирующей радиации являются животные, оседло обитающие на ограниченных участках почвы и обладающие длительным периодом ранних стадий развития: дождевые черви, личинки жуков и т.д.

Специфика почвенной  среды заключается в том, что  до определенного уровня воздействия  почва является своеобразным барьером для почвенных организмов и защищенность их от излучения существенно больше, чем в других средах обитания. Однако и для почвенных условий сохраняются общебиологические закономерности изменения, наблюдаемые для сообществ организмов в других средах. Одно из основных последствий облучения – это уменьшение видового разнообразия групп организмов, более угнетенное, чем в норме состояние выживших форм, большая их чувствительность к неблагоприятным условиям Различная чувствительность способствует выпадению из ценозов слабых форм и доминированию сильных и, вследствие этого, нарушению естественного равновесия между основными группами организмов. Этот эффект характерен для любой микрофлоры.

Интенсивность воздействия  зависит от состояния почв. Так, наибольшее влияние на численность наблюдается  во влажных, чем в сухих почвах.

Другое последствие  излучения – нарушение процессов  деструкции органических веществ. Так, наиболее подверженными в загрязненной почве оказываются более подвижные группы, активно перерабатывающие почву и

растительный опад, гибель которых может приводить к  нарушению процессов разложения. В большей степени это касается дождевых червей, т.к. они заглатывают грунт и облучаются снаружи и изнутри от пищевого комка. И гибель одной группы организмов приводит к усиленному размножению другой (к примеру, насекомых), т.к. увеличивается свободный ареал существования. Эти нарушения чреваты не только изменением протекания процессов биотрансформации на загрязненных участках, но и возможным распространением заражения территории (к примеру, за счет ветрового переноса неразложившегося опада).

В тоже время почвенные  беспозвоночные могут способствовать рассеиванию стронция в почве, что происходит при горизонтальных и вертикальных миграциях животных (миграция копролитов по профилю).

Третьим важнейшим отрицательным  последствием загрязнения является возможность накопления токсиканта в трофических цепях, проходящих через почву. Трансформация и накопление стронция в почве сильно зависит от ее свойств. Наиболее интенсивное накопление наблюдается на бедных (песчаных, малогумусовых) почвах и скудных по разнообразию и обилию растительности в биогеоценозах.

Основная масса выпадающего  радиоактивного стронция в виде осадков  концентрируется в подстилке  лиственных древесных пород, в хвое – в меньшей степени. Мицелий  многих грибов активно развивается  именно в ней и может аккумулировать стронций, который по системе гиф поступает в плодовые тела грибов, используемых животными организмами и человеком в пищу. Уровень накопления зависит от типа почв, характера фитоценоза, видов грибов и т.д. 

Процесс восстановления почвенной биоты длителен и зависит  от состава организмов и состояния их клеток, а также от расстояния, на котором они находятся от поверхности. Так, дрожжевые клетки, облученные до первого клеточного деления, еще способны к восстановлению. А распложенные в 

нижних слоях организмы  находятся на первых этапах развития и менее плодовиты, поэтому более чувствительны /1/.

4.Толерантность  высших растений и животных  к токсиканту

Толерантность – это  способность сохранять структуру, функции элементов и в целом  жизнедеятельность организма в  условиях избытка элемента в окружающей среде, в основном в почве. И хотя большинство растений быстро адаптируется к химическим стрессам, они все же могут быть чувствительны к избытку стронция. Некоторые растения способны накапливать металл и развиваться на почвах, загрязненных им в большом количестве. Т.о., свойство толерантности относится как к видам, произрастающим в областях с сильным загрязнением, так и к отдельным растениям, способных выживать при более высоких концентрациях токсиканта по сравнению с другими. В настоящее время накоплено мало сведений о механизме устойчивости растений стронцию, но известны условия, влияющие на скорость его поступления и фитотоксичность. 

Основной реакцией, связанной  с токсичным действием избытка  стронция и последующим нарушением метаболических процессов в организме, является замещение жизненно важного макрокатиона Ca. Степень токсичности стронция для растений достаточно хорошо коррелируется со следующими факторами: электроотрицательность иона, устойчивость хелатных комплексов, а также биологическая доступность элемента. Большие количества SrO угнетают рост различных растений. А при наличии ионов стронция Sr²⁺ степень угнетения ростовых процессов по фитотоксичности возрастает в 10…50 раз, чем при действии окисла, т.к. он лучше проникает в растения. При переносе ионов элемента очень важную роль в растениях выполняют эндогенные вещества клетки, способные образовывать хелаты – комплексные соединения, в которых атом металла связан ковалентными связями с хелатами или образующими их группами. Это ди- и трипептиды растений типа цистеина, глутатиона.  Развитие толерантности происходит довольно быстро и имеет генетическую основу. Такого рода изменения отличают растения от популяций тех же видов, произрастающих на обогащенных металлом почвах. Толерантные виды высших растений обычно принадлежат к следующим семействам: Caryophyllaceae, Cruciferae, Cyperaceae, Gramineae, Leguminosae и Chenopodiaceae. Наибольшая концентрация элемента обнаруживается у вида Arabis stricta. Устойчивость обусловлена и биотрасформацией, за счет процессов которой в результате метаболизма происходит связывание токсиканта веществами клетки в безвредные или менее вредные соединения и выведение его из организма. При этом может наблюдаться как высокоспецифичная, так и групповая толерантность к металлу. В реакции защитного и адаптационного потенциала растений, испытывающих отрицательное действие токсиканта, важная роль отводится пероксидазам. Это полифункциональные ферментные системы, локализованные в клеточных структурах. Изоферменты пероксидазы связаны с различными метаболическими реакциями: они участвуют в образовании лигнина, ауксина, в процессах роста и старения, окислительных и защитных реакциях. Индукция пероксидазы является универсальной реакцией на действие токсиканта. Она способна к нейтрализации реакционноспособных молекул, образующихся в стрессовых условиях в результате активации кислорода. Его промежуточные формы (перекиси, гидроксилы и др.) способны инициировать переокисление липидов и дестабилизировать мембраны. Но значительное повышение активности пероксидазы приводит к образованию в тканях и органах окислительной формы стронция – перекиси  SrO₂, нарушающей энергетический обмен /4/. 

Посредством химической трансформации в почве, в частности, в почвенном растворе, происходит перевод высокоподвижных веществ стронция в мало- и нерастворимые; при этом увеличивается устойчивость корневой системы и в целом всего растения. Но, в зависимости от свойств почв может наблюдаться 

и обратный эффект. Толерантность  повышается и за счет присутствия в почве микрофлоры, способной проводить детоксикацию, хотя бы частичную. При этом низкая концентрация токсиканта не нарушает функционирование организма, который к нему со временем адаптируется.  

Имеет место и антагонистическое  действие. И можно выделить как положительный (к примеру, с увеличением концентрации стронция уменьшается поступление более токсичного элемента Cd в растения), так и отрицательный антагонизм (замещение биофильного элемента Ca стронцием в его соединениях в организме). Повышению устойчивости способствует удаление ионов из метаболических процессов путем локализации токсиканта в фиксированных формах в органах выделения организма. При поступлении стронция в русло транспирационного тока цитоплазматическое пространство оказывается перегруженным, и поэтому в интактной системе токсикант накапливается в вакуолях, и впоследствии происходит его удаление. Растения адаптировались к небольшим концентрациям стронция так, что токсикант при замещении кальция, попадая в структуру энзимов, изменяет частично только их физические свойства и не способствует изменению ранее осуществляемых под влиянием кальция функций организма.

Устойчивость растений к повышенному содержанию элемента и их способность накапливать  предельно высокие концентрации могут представлять большую опасность для здоровья людей, т.к. допускают проникновение токсиканта в пищевые цепи /4/. 

5. Гигиеническое нормирование токсиканта в сельскохозяйственной продукции

Гигиеническое нормирование токсических соединений стронция распространяется на пресные природные воды (использование воды для питья и организмов в пищу), растениеводческую продукцию (употребление в пищу сельскохозяйственными животными и человеком), а также на первоначальные области их поступления и распространения в промышленных зонах.  

Подпороговые концентрации в водоеме, определяемые по органолептическим  показателям, составляют: для хлорида  стронция – 13 мг/л (по влиянию на привкус  воды – 12 мг/кг, по запаху – выше в 20-30 раз), для нитрата – 12 мг/л, для  сульфата – 11,5 мг/л. Подпороговые концентрации, не влияющие на санитарный режим водоема, (мг/л): для хлорида – больше 13, нитрата – 26, сульфата – более 11,5. В концентрациях, равных пороговым по привкусу, стронций не влияет на вкусовые качества рыбных продуктов. Максимальная концентрация, которая при постоянном воздействии в течение длительного времени не вызывает нарушения биохимических процессов в водоеме, для хлорида, сульфата, нитрата и карбоната стронция – 26 мг/л /2/.